Esploristoj ĉe la Argonne Nacia Laboratorio de la Usona Departemento pri Energio (DOE) havas longan historion de pioniraj malkovroj en la kampo de litio-jonaj baterioj. Multaj el ĉi tiuj rezultoj estas por la bateriokatodo, nomata NMC, nikelo-mangano kaj kobalta oksido. Baterio kun ĉi tiu katodo nun funkciigas la Chevrolet Bolt.
Esploristoj de Argonne atingis plian sukceson pri NMC-katodoj. La nova strukturo de etaj katodaj partikloj de la teamo povus igi la baterion pli daŭra kaj pli sekura, kapabla funkcii je tre altaj tensioj kaj provizi pli longajn vojaĝdistancojn.
“Ni nun havas gvidliniojn, kiujn bateriofabrikistoj povas uzi por fari altpremajn, senrandajn katodmaterialojn,” Khalil Amin, Argonne Fellow Emeritus.
“Ekzistantaj NMC-katodoj prezentas gravan obstaklon por alttensia laboro,” diris helpa kemiisto Guiliang Xu. Kun ŝargo-malŝarga ciklado, la rendimento rapide malaltiĝas pro la formado de fendetoj en la katodpartikloj. Dum jardekoj, bateri-esploristoj serĉis manierojn ripari ĉi tiujn fendetojn.
Unu metodo en la pasinteco uzis etajn sferajn partiklojn konsistantajn el multaj multe pli malgrandaj partikloj. Grandaj sferaj partikloj estas polikristalaj, kun kristalaj domajnoj de diversaj orientiĝoj. Rezulte, ili havas tion, kion sciencistoj nomas grenlimoj inter partikloj, kio povas kaŭzi fendiĝon de la baterio dum ciklo. Por malhelpi tion, la kolegoj de Xu kaj Argonne antaŭe evoluigis protektan polimeran tegaĵon ĉirkaŭ ĉiu partiklo. Ĉi tiu tegaĵo ĉirkaŭas grandajn sferajn partiklojn kaj pli malgrandajn partiklojn ene de ili.
Alia maniero eviti ĉi tiun specon de fendado estas uzi unu-kristalajn partiklojn. Elektrona mikroskopio de ĉi tiuj partikloj montris, ke ili ne havas limojn.
La problemo por la teamo estis, ke katodoj faritaj el tegitaj polikristaloj kaj unuopaj kristaloj ankoraŭ fendiĝis dum ciklado. Tial ili faris ampleksan analizon de ĉi tiuj katodmaterialoj ĉe la Advanced Photon Source (APS) kaj Center for Nanomaterials (CNM) ĉe la Argonne Science Center de la Usona Departemento de Energio.
Diversaj rentgen-analizoj estis faritaj sur kvin APS-brakoj (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C kaj 34-ID-E). Montriĝis, ke tio, kion sciencistoj pensis esti ununura kristalo, kiel montrite per elektrona kaj rentgen-mikroskopio, fakte havis limon interne. Skanada kaj transmisia elektrona mikroskopio de CNM-oj konfirmis ĉi tiun konkludon.
“Kiam ni rigardis la surfacan morfologion de ĉi tiuj partikloj, ili aspektis kiel unuopaj kristaloj,” diris fizikisto Wenjun Liu. â�<“但是，当我们在APS 使用一种称为同步加速器X射线衍射显微镜的技术和其他技术时，我们发现边界隐藏在内部。” â� <“但是 ， 当 在 在 使用 使用 种 称为 同步 加速器 x 射线 显微镜 的 微镜 的 微镜 的 抶 朗 朌朗步 加速器我们 发现 边界 隐藏 在。”“Tamen, kiam ni uzis teknikon nomatan sinkrotrona rentgen-difrakta mikroskopio kaj aliajn teknikojn ĉe APS, ni trovis, ke la limoj estis kaŝitaj interne.”
Grave, la teamo evoluigis metodon por produkti unuopajn kristalojn sen limoj. Testado de malgrandaj ĉeloj kun ĉi tiu unu-kristala katodo ĉe tre altaj tensioj montris 25%-an pliiĝon en energia stokado por unuo da volumeno kun preskaŭ neniu perdo de rendimento dum pli ol 100 testcikloj. Kontraste, NMC-katodoj kunmetitaj el plur-interfacaj unuopaj kristaloj aŭ tegitaj polikristaloj montris kapacitan falon de 60% ĝis 88% dum la sama vivdaŭro.
Kalkuloj je atomskalo malkaŝas la mekanismon de redukto de katoda kapacitanco. Laŭ Maria Chang, nanosciencisto ĉe CNM, limoj pli emas perdi oksigenatomojn kiam la baterio estas ŝargita ol areoj pli malproksimaj de ili. Ĉi tiu perdo de oksigeno kondukas al degenero de la ĉelciklo.
“Niaj kalkuloj montras kiel la limo povas konduki al oksigeno liberigita je alta premo, kio povas konduki al reduktita rendimento,” diris Chan.
Forigo de la limo malhelpas oksigenan evoluon, tiel plibonigante la sekurecon kaj ciklan stabilecon de la katodo. Mezuradoj de oksigena evoluo per APS kaj altnivela lumfonto ĉe la Nacia Laboratorio Lawrence Berkeley de la Usona Departemento pri Energio konfirmas ĉi tiun konkludon.
“Nun ni havas gvidliniojn, kiujn baterifabrikistoj povas uzi por fari katodmaterialojn, kiuj ne havas limojn kaj funkcias je alta premo,” diris Khalil Amin, Argonne-ulo Emerito. â�<“该指南应适用于NMC 以外的其他正极材料。” â�<“该指南应适用于NMC 以外的其他正极材料。”"Gvidlinioj devus validi por katodmaterialoj krom NMC."
Artikolo pri ĉi tiu studo aperis en la revuo Nature Energy. Krom Xu, Amin, Liu kaj Chang, la Argonne-aŭtoroj estas Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hwang, Chengjun Sun, Tao Zhou, kaj Zhou. Sciencistoj de la Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li, kaj Zengqing Zhuo), Xiamen University (Jing-Jing Fan , Ling Huang kaj Shi-Gang Sun) kaj Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng kaj Mingao Ouyang).
Pri la Argonne Centro por Nanomaterialoj La Centro por Nanomaterialoj, unu el kvin nanoteknologiaj esplorcentroj de la Usona Departemento pri Energio, estas la ĉefa nacia uzanta institucio por interfaka nanoskala esplorado subtenata de la Oficejo de Scienco de la Usona Departemento pri Energio. Kune, la NSRC-oj formas aron da komplementaj instalaĵoj, kiuj provizas al esploristoj pintnivelajn kapablojn por fabriki, prilabori, karakterizi kaj modeligi nanoskalajn materialojn kaj reprezentas la plej grandan infrastrukturinveston sub la Nacia Nanoteknologia Iniciato. La NSRC situas ĉe la Naciaj Laboratorioj de la Usona Departemento pri Energio en Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia kaj Los Alamos. Por pliaj informoj pri la NSRC DOE, vizitu https://science.osti.gov/Us-er-F-a-c-i-lit-ie-s/Us-er-F-a-c-i-l-it-ie-s-at-a-Glance.
La Altnivela Fotona Fonto (APS) de la Usona Departemento pri Energio ĉe la Argonne Nacia Laboratorio estas unu el la plej produktivaj rentgen-fontoj en la mondo. APS provizas alt-intensajn rentgen-fontojn al diversa esplorkomunumo en materialscienco, kemio, fiziko de kondensita materio, vivo- kaj mediaj sciencoj, kaj aplikata esplorado. Ĉi tiuj rentgen-fontoj estas idealaj por studi materialojn kaj biologiajn strukturojn, la distribuon de elementoj, kemiajn, magnetajn kaj elektronikajn statojn, kaj teknike gravajn inĝenierajn sistemojn de ĉiuj specoj, de baterioj ĝis fuelinjektilaj ajutoj, kiuj estas esencaj por nia nacia ekonomio, teknologio kaj korpo, la bazo de sano. Ĉiujare, pli ol 5,000 esploristoj uzas APS por publikigi pli ol 2,000 publikaĵojn detaligantajn gravajn malkovrojn kaj solvantajn pli gravajn biologiajn proteinstrukturojn ol uzantoj de iu ajn alia rentgen-esplora centro. Sciencistoj kaj inĝenieroj de APS efektivigas novigajn teknologiojn, kiuj estas la bazo por plibonigi la rendimenton de akceliloj kaj lumfontoj. Tio inkluzivas enigajn aparatojn, kiuj produktas ekstreme brilajn rentgenradiojn aprezitajn de esploristoj, lensojn, kiuj enfokusigas rentgenradiojn ĝis kelkaj nanometroj, instrumentojn, kiuj maksimumigas la manieron kiel rentgenradioj interagas kun la studata specimeno, kaj la kolektadon kaj administradon de APS-malkovroj. Esplorado generas grandegajn datenvolumojn.
Ĉi tiu studo utiligis rimedojn de Advanced Photon Source, Uzanto-Centro de la Oficejo de Scienco de la Usona Departemento de Energio, funkciigata de la Argonne Nacia Laboratorio por la Oficejo de Scienco de la Usona Departemento de Energio sub kontraktnumero DE-AC02-06CH11357.
La Argonne Nacia Laboratorio klopodas solvi la urĝajn problemojn de hejma scienco kaj teknologio. Kiel la unua nacia laboratorio en Usono, Argonne faras pintnivelan bazan kaj aplikatan esploradon en preskaŭ ĉiu scienca disciplino. Argonne-esploristoj laboras proksime kun esploristoj el centoj da kompanioj, universitatoj, kaj federaciaj, ŝtataj kaj municipaj agentejoj por helpi ilin solvi specifajn problemojn, antaŭenigi usonan sciencan gvidadon, kaj prepari la nacion por pli bona estonteco. Argonne dungas dungitojn el pli ol 60 landoj kaj estas funkciigata de UChicago Argonne, LLC de la Oficejo pri Scienco de la Usona Departemento pri Energio.
La Oficejo de Scienco de la Usona Departemento de Energio estas la plej granda subtenanto de baza esplorado en la fizikaj sciencoj en la nacio, laborante por trakti kelkajn el la plej urĝaj problemoj de nia tempo. Por pliaj informoj, vizitu https://energy.gov/scienceience.